摘要：天然气作为一种汽车替代燃料，是重型货车满足排放标准的有效手段。随着市场保有量的逐年增加，天然气重型货车的经济性越来越受重视。文章介绍了天然气重型货车可实现的主要节能技术，并针对每个细分节能技术研究节能路径及发展，为天然气重型货车节能技术的进一步发展提供依据。
关键词：天然气；重型货车；节能技术；经济性
前言
天然气作为目前常用的汽车替代燃料，来源丰富、经济性好、污染物排放量少、安全性高。天然气的大力推广，缓解了石油资源紧缺对我国工业经济发展的制约。天然气价格受供需关系影响较大，在不同区域价格有所不同，如图1，近半年LNG液体出厂价格区间为3656-5611元/吨。较大的价格波动使得天然气汽车的经济性成为制约整车性能的关键。本文针对天然气重型货车可实现的节能技术进行介绍，并针对每个细分节能技术研究节能路径及发展。
1天然气重型货车发展现状
天然气重型货车即匹配天然气发动机的重型货车，根据燃料的形态可以分为CNG（压缩天然气）重型货车和LNG（液化天然气）重型货车。LNG燃料存储、运输便利[1]，且LNG车辆续驶里程可有效满足用户长距离运输需求，同时，LNG车辆的环保性及经济性优势明显优于柴油车辆，因此，现阶段LNG重型货车发展日趋向好[2]。因此，从图2可看出，截至2018年12月，我国天然气重型货车累计销量已达23万辆，加气站保有量超过8400座，均位居世界第一位。
2天然气重型货车节能技术
2.1节能技术现状
出于保障能源安全、缓解污染等目的，全球主要国家陆续加严油耗法规，汽车节能水平也不断提升。由于燃气车与柴油车主要的差异在于燃料的不同，因此柴油车的节能技术的发展一定程度上为天然气车提供了方向。日本商用车以轻型载货车为主，其采用主要的节能技术为动力总成优化和混合动力。美国中重型货车主要的节能手段则为空气动力学性能优化，原因在于美国高速公路发达，车辆行驶速度较高，降低风阻可节能15%~25%[3]。除优化动力学外，美国将逐步应用朗肯循环、余热回收、轻量化、驾驶行为优化等技术进一步降低能耗。近年来，欧盟连续出台的碳排放标准有效促进欧洲汽车节能技术的不断提升。动力总成优化、空气动力学性能优化、智能驾驶技术是欧洲载货汽车的三大节能手段。我国重型载货汽车主要通过提高发动机热效率达到节能目的，陆续出台的《节能与新能源汽车产业发展规划（2012-2020）》《中国制造2025》等战略规划和标准法规也进一步促进了节能技术的发展。
2.2节能技术研究
基于天然气重型货车的特点，其可采用的主要节能技术有：燃烧技术、发动机附件降功耗、车用设备、控制策略管理、传递效率、行驶阻力、轻量化技术、智能化技术、混合动力技术。
2.2.1燃烧技术
发动机燃烧技术可采用米勒循环，有机朗肯循环回收（ORC），可变压缩比来降低气耗。米勒循环可通过改变进气门关闭角度控制发动机负荷，减少了部分负荷下发动机的泵气损失，改善发动机热效率，降低燃料消耗。有机朗肯循环则通过回收排气能量，采用螺杆膨胀机进行动力输出。可变压缩比可以在小负荷低转速时采用较大压缩比提高发动机热效率；大负荷高转速时采用低压缩比降低机械负荷和热负荷。
2.2.2发动机附件节能
图4可看出，发动机及发动机附件损耗对车辆运行气耗影响较大，目前重型货车以机械附件为主，可从附件的结构优化和电控化进行发动机附件节能。进气系统通过结构优化可以降低进气阻力，常用途径为直流空滤器；发动机增压器的优化可以增加可燃的燃气量，提高了燃烧效率，常用途径有小涡轮高效增压器、VGT可变截面涡轮增压器、双涡轮增压和双增压；排气系统可以通过优化排气管路，降低排气背压，常用途径为方形后处理箱体；空压机可通过提高效率，减少工作时间来降低气耗，常用途径有自卸荷空压机，离合器空压机，节能型电动空压机等；冷却系统主要通过降低水泵和风扇的功率消耗实现节能，包括提高风扇效率，中冷器的合适匹配，低水阻的散热器和节温器等；小附件电控化可考虑电子机油泵以及电子水泵。
2.2.3车用电子设备
随着重型货车驾驶员的低龄化，对汽车安全、娱乐需求的不断提高，车用电子设备逐步增多，降低车用设备功耗也成为重型货车重要的节能手段，例如已批量应用推广的高效电动智能空调，就是有效措施之一。
2.2.4控制策略管理
控制策略管理主要是通过控制发动机喷气量，发动机输出扭矩，发动机工作时长来达到节能的目的。同时可结合发动机的热负荷需求，优化风扇控制逻辑，保证发动机始终处于最佳工作状态，降低附件消耗，从而降低整车气耗。另外可通过车辆实际运行工况，制定按需输出发动机扭矩的控制策略，可有效控制燃气消耗。
2.2.5传递效率
高效传动技术可以从发动机、转向、变速器、驱动桥、传动轴、液压系统、电磁阀等方面提高传递效率，降低能量损耗。目前潍柴低速大扭矩发动机、变速器、小速比驱动桥的同步应用实现了高效传动，处于行业领先地位。AMT的应用可以降低驾驶习惯对整车气耗的影响，目前重型货车已开始逐步配备AMT。多档位的变速箱也有利于效率的提升，在某些细分领域，重型货车变速箱档位可达16档。通过优化驱动桥内部齿轮、轴承可以提高传递效率，降低传递损失。在转向方面，重型货车目前主要应用液压助力转向，逐步开发应用的根据转速不同调整排量的转向泵可以降低发动机能量消耗0.4275Kw/100Km。传动轴方面可以通过降低传动轴自重减小转动惯量，目前可预见的有铝合金传动轴。液压系统可通过缩短管道，减少弯管数量降低液压损失。低功耗电磁阀的大量应用也可实现节能效果。
2.2.6行驶阻力
影响天然气重型货车气耗的行驶阻力主要为整车滚动阻力和整车风阻。整车滚动阻力主要相关部件为轮胎，低滚阻轮胎、自动胎压调整、单宽胎均可降低滚动阻力。国际上先进水平的轮胎滚动阻力系数在5.5~6.9[3]，国内重型货车采用的低滚阻轮胎阻力系数一阶段已可降至5.2，二阶段可降至4.5。自动胎压调整由于成本原因，在重型货车上的应用较少，但可实现的胎压监测功能也可间接减少滚动阻力。单宽胎可以通过减少接触面积进而降低滚动阻力，目前天然气重型货车已有搭载应用。整车风阻主要相关部件为车身及底盘。车身主要通过优化后视镜外观流线型、驾驶室本体结构、遮阳罩、前面罩、保险杠、进气格栅来优化风阻系数。国际先进载货汽车奔驰Acros整车风阻系数为0.46[3]，国内车企整车风阻系数目前可达0.513。可升降导流罩、自动进气格栅等设计已经开始逐步应用于重型载货车。同时各主流整车厂已开始逐步推出半长头重型载货车，流线型车身本体有利于风阻的进一步降低。
2.2.7轻量化技术
整车轻量化是实现汽车节能的重要途径[4]。整车整备质量降低，可载货物质量相应增加，单位质量货物百公里消耗的燃料相应降低。目前重型货车主要通过结构优化及轻质材料的应用降低整车重量。结构优化常用途径有整体式尾梁，平衡轴优化，无副梁冲压气瓶框架、免维护转向轴、轻量化挡泥板等，轻质材料应用常用途径有铝合金轮辋、铝合金轮毂等。
2.2.8智能化技术
智能化技术主要有道路预见性系统，车辆队列，驾驶行为评分及不良驾驶行为提醒等。目前，国内陕西重型货车的自动驾驶技术已经进行了试运行，结合天行健后台大数据已经实现了驾驶行为评分及不良驾驶行为提醒。
2.2.9混合动力技术
重型货车目前混合动力主要方向有HPDI、HCNG以及甲醇柴油混合。其中HPDI发动机的热效率与柴油机相同，比燃气发动机高5%，综合气耗可降低15%~20%，HCNG通过氢气和天然气的混合，热效率可大幅提高。甲醇柴油混合保证动力性的同时和柴油机相比有更低的排放。
3结论
未来天然气重型货车将主要通过动力总成升级，混合动力以及智能网联进一步实现节能。随着柴油机节能步伐的加快，小速比后桥、朗肯循环等技术也会逐步在天然气重型货车上进行搭载，实现燃气车的节能。HPDI和HCNG等燃气车特有的混合动力前景也更加广阔。随着人工智能的进一步发展，新型节能技术的应用也会逐步增多。天然气重卡未来将向低碳化、轻量化和智能化方向发展。
参考文献
[1]陈昊,韩斌,陈轶嵩等.天然气汽车发展现状及趋势[J].中国能源,2018（2）:36-41.
[2]王占黎,李广,刘勇.LNG在陆上交通领域利用现状及前景分析[J].天然气技术与经济,2014（4）60-63.
[3]节能与新能源汽车技术路线图战略咨询委员会,中国汽车工程学会.节能与新能源汽车技术路线图[M].北京:机械工业出版社,2016.
[4]于用军,李飞,王帅等.整车轻量化技术研究综述[J].汽车实用技术,2017（24）43-45.
作者:李恩光 李毓 冯美宁 赵航 吴丹 单位:陕西重型汽车有限公司
